교류및전자회로실험 설계제안서(전압 및 전류 모니터링이 가능한 Battery 충전기)

문서 내 토픽

1. 리튬이온 배터리 구조

리튬이온 배터리는 양극, 음극, 전해액, 분리막으로 구성되어 있습니다. 양극은 양극활물질, 도전재, 바인더로 이루어져 배터리의 용량과 전압을 결정하고, 음극은 음극활물질, 도전재, 바인더로 이루어져 전자를 내보내는 역할을 합니다. 전해액은 양극과 음극 간 리튬 이온의 매개체 역할을 하며, 분리막은 양극과 음극을 물리적으로 차단하는 역할을 합니다.
2. 충전방식과 C-rate

리튬이온 배터리 충전 방식에는 CC(정전류), CV(정전압), CC-CV(정전류-정전압) 방식이 있습니다. CC 방식은 일정한 전류로 충전하는 방식이고, CV 방식은 일정한 전압으로 충전하는 방식입니다. CC-CV 방식은 초기에 CC 방식으로 충전하다가 마지막에 CV 방식으로 충전하여 과충전을 방지합니다. C-rate는 배터리 충전/방전율을 나타내는 지표로, 배터리 용량과 충전/방전 시간을 결정하는 중요한 요소입니다.
3. NCR18650A 배터리 특성

NCR18650A 배터리의 특성은 다음과 같습니다. 완충전압은 약 4.2V이고, 정격용량은 2900mAh입니다. 충방전을 약 500회까지 반복할 수 있는 수명을 가지며, CC-CV 방식으로 약 1470mA로 4시간 충전하면 완충전압에 도달합니다. 충전 온도 영역은 0~45도, 방전 온도 영역은 -20~60도입니다.
4. TP4056 충전 IC 특성

TP4056 충전 IC는 충전 시 전류와 전압을 제한하고 과충전/과방전을 방지하는 기능을 가지고 있습니다. TP4056, DW01A, 8205A MOSFET 등 3개의 IC로 구성되어 있으며, Rprog 저항을 추가하여 충전전류를 조절할 수 있습니다. 100mA 미만의 충전전류일 때 자동으로 충전을 차단하여 과충전을 방지합니다.
5. INA219 전류센서 특성

INA219 전류센서는 버스전압과 션트전압을 기반으로 전류와 전력을 계산할 수 있습니다. 9비트~12비트 이내의 해상도로 측정할 수 있으며, 션트저항에 걸리는 전압을 이용하여 전류를 계산할 수 있습니다. Configuration 저항과 Calibration 저항을 이용하여 전압 측정 범위, 해상도, 전류 및 전력 계산을 설정할 수 있습니다.
6. 회로 구성

이 프로젝트의 회로는 AC220V 전원 회로, 전파정류 및 필터 회로, 레귤레이터 회로, 충전기 회로, 전류센서, 온도센서, 아두이노, LCD 등으로 구성됩니다. 충전기 회로에는 TP4056 IC와 INA219 전류센서가 사용되며, 가변저항을 통해 충전전류를 조절할 수 있습니다. LCD에는 전압, 전류, C-rate, 온도 등이 표시됩니다.
7. 목표 성능 및 평가 방법

이 프로젝트의 목표 성능은 다음과 같습니다. 안정적인 DC5V 공급, 측정 전압의 정확성, 고속 충전 여부, 과충전 방지, 과열 방지를 위한 쿨링팬 작동, C-rate 0.5C 미만 유지 등입니다. 이를 평가하기 위해 오실로스코프, DMM, 온도센서, 모니터링 등의 방법을 사용할 계획입니다.
8. 일정 및 예산

이 프로젝트의 일정은 5주 동안 진행되며, 1주차에는 설계 목표 설정 및 자료 조사, 2주차에는 부품 구매 및 기능 설계, 3주차에는 1차 제작, 4주차에는 2차 제작 및 최종 제작, 5주차에는 작동 확인 및 마무리 작업을 진행할 계획입니다. 예산은 약 86,250원이 소요될 것으로 예상됩니다.

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1. 리튬이온 배터리 구조

리튬이온 배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성되어 있습니다. 양극은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2)이나 리튬 철 인산염(LiFePO4) 등의 리튬 화합물로 이루어져 있고, 음극은 흑연이나 리튬 금속으로 구성됩니다. 분리막은 양극과 음극 사이에 위치하여 전기적 단락을 방지하고, 전해질은 리튬 이온의 이동 통로 역할을 합니다. 이러한 구조를 통해 리튬이온 배터리는 높은 에너지 밀도와 긴 수명, 빠른 충전 속도 등의 장점을 가지고 있습니다. 하지만 과충전이나 과방전, 기계적 충격 등에 취약한 단점도 있어 안전성 확보가 중요합니다.
2. 충전방식과 C-rate

리튬이온 배터리의 충전 방식은 크게 정전류-정전압(CC-CV) 방식과 펄스 충전 방식으로 나뉩니다. CC-CV 방식은 일정한 전류로 충전하다가 일정 전압에 도달하면 전압을 일정하게 유지하는 방식으로, 배터리 수명이 길고 안전성이 높습니다. 펄스 충전 방식은 일정한 전류를 주기적으로 인가하는 방식으로, 배터리 내부 반응을 활성화시켜 충전 효율을 높일 수 있습니다. C-rate는 배터리 용량 대비 충전/방전 전류의 비율을 나타내는 지표로, 1C 충전은 배터리 용량의 1배에 해당하는 전류로 충전하는 것을 의미합니다. C-rate가 높을수록 충전/방전 속도가 빨라지지만, 배터리 수명이 단축될 수 있습니다. 따라서 용도와 목적에 맞는 적절한 C-rate 선택이 중요합니다.
3. NCR18650A 배터리 특성

NCR18650A는 파나소닉에서 개발한 18650 형태의 리튬이온 배터리 모델입니다. 이 배터리는 3.6V의 공칭 전압과 2900mAh의 용량을 가지고 있으며, 높은 에너지 밀도와 안전성, 긴 수명 등의 장점을 가지고 있습니다. 특히 NCR18650A는 리튬 니켈 코발트 알루미늄 산화물(NCA) 양극 재료를 사용하여 에너지 밀도가 높고, 내열성과 안전성이 우수합니다. 또한 고출력 특성으로 인해 전기자동차, 전동공구, 전자기기 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 다만 가격이 다른 18650 배터리에 비해 다소 높은 편이라는 단점이 있습니다.
4. TP4056 충전 IC 특성

TP4056은 리튬이온 배터리 충전 제어를 위한 IC로, 단일 셀 리튬이온 배터리 충전 회로 구현에 널리 사용됩니다. 이 IC는 정전류-정전압(CC-CV) 충전 알고리즘을 내장하고 있어 배터리 보호 기능을 제공합니다. 또한 과충전, 과전류, 과열 보호 기능을 갖추고 있어 배터리 안전성을 높입니다. TP4056은 간단한 외부 회로 구성으로도 완전한 충전 기능을 구현할 수 있어 소형 전자기기, 전동 장난감, 전기자전거 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 다만 충전 전류가 최대 1A로 제한되어 있어 고출력 충전에는 적합하지 않다는 단점이 있습니다.
5. INA219 전류센서 특성

INA219는 고정밀 양방향 전류 및 전압 모니터링 IC입니다. 이 IC는 전류 검출을 위한 저항과 증폭기, ADC 등을 내장하고 있어 간단한 외부 회로로도 정밀한 전류 측정이 가능합니다. INA219는 최대 ±3.2A의 전류 측정 범위와 16비트 분해능을 가지고 있어 배터리 충방전 모니터링, 전력 관리, 모터 제어 등 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다. 또한 I2C 통신 인터페이스를 지원하여 마이크로컨트롤러와 쉽게 연동할 수 있습니다. 다만 전류 측정 정확도가 약간 떨어지는 편이며, 고전류 측정에는 적합하지 않다는 단점이 있습니다.
6. 회로 구성

리튬이온 배터리 충전 회로는 크게 배터리 충전 제어부, 전류 측정부, 보호 회로부로 구성됩니다. 배터리 충전 제어부에는 TP4056 IC가 사용되며, 정전류-정전압 충전 알고리즘을 구현합니다. 전류 측정부에는 INA219 IC가 사용되어 배터리 충방전 전류를 정밀하게 모니터링할 수 있습니다. 보호 회로부에는 과충전, 과방전, 과전류, 과열 보호 기능을 구현하여 배터리 안전성을 높입니다. 이러한 회로 구성을 통해 배터리 충전 성능과 안전성을 동시에 확보할 수 있습니다. 다만 회로 설계 시 각 부품의 특성과 호환성을 면밀히 검토해야 하며, 실제 구현 과정에서 발생할 수 있는 문제점들을 충분히 고려해야 합니다.
7. 목표 성능 및 평가 방법

리튬이온 배터리 충전 회로의 목표 성능은 충전 속도, 에너지 효율, 안전성 등 다양한 측면에서 정의될 수 있습니다. 예를 들어 1C 이상의 고속 충전 기능, 90% 이상의 에너지 효율, 과충전/과방전/과열 보호 기능 등을 목표로 할 수 있습니다. 이러한 목표 성능을 평가하기 위해서는 충전 시간, 에너지 효율, 보호 기능 동작 등을 실험적으로 측정하고 분석해야 합니다. 또한 배터리 수명 테스트, 안전성 테스트 등 다양한 평가 방법을 통해 종합적인 성능을 검증해야 합니다. 이를 통해 목표 성능 달성 여부를 확인하고, 필요에 따라 회로 설계를 개선할 수 있습니다.
8. 일정 및 예산

리튬이온 배터리 충전 회로 개발을 위한 일정 및 예산 수립 시 다음과 같은 사항들을 고려해야 합니다. 먼저 회로 설계, 부품 선정, 프로토타입 제작, 성능 평가, 양산 준비 등 각 단계별 소요 기간을 면밀히 검토해야 합니다. 또한 부품 구매, 제작 공정, 인력 투입 등에 필요한 예산을 적절히 배분해야 합니다. 특히 배터리, 충전 IC, 전류 센서 등 핵심 부품의 가격과 수급 상황을 면밀히 파악해야 합니다. 아울러 예기치 못한 문제 발생이나 설계 변경 등에 대비한 여유 예산과 일정도 고려해야 합니다. 이를 통해 체계적이고 현실적인 개발 계획을 수립할 수 있습니다.